飛思卡爾智能車報告

1、第七屆“飛思卡爾”智能車電磁組學(xué)習(xí)報告20112011級電子二班：史一帆級電子二班：史一帆第一部分 ：方案設(shè)計n 智能車系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，將整個系統(tǒng)分為三大部分，機械結(jié)構(gòu)、智能車系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，將整個系統(tǒng)分為三大部分，機械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分，如下圖所示?？刂颇K、控制算法等三部分，如下圖所示。第二：原理部分直立行走任務(wù)分解直立行走任務(wù)分解n 電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個輪子著地沿著賽道進行比電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車模控制任務(wù)更為復(fù)雜。為了能夠方便找到賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿?wù)更為復(fù)雜。為了能夠方便

2、找到解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題進行討論。為解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題進行討論。為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車模直立、運行的動力都來自了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車模直立、運行的動力都來自于車模的兩個后車輪，后輪轉(zhuǎn)動由兩個直流電機驅(qū)動。因此從控制角于車模的兩個后車輪，后輪轉(zhuǎn)動由兩個直流電機驅(qū)動。因此從控制角度來看，由控制車模兩個電機旋轉(zhuǎn)方向及速度實現(xiàn)對車模的控制。車度來看，由控制車模兩個電機旋轉(zhuǎn)方向及速度實現(xiàn)對車模的控制。車模運動控制任務(wù)可以分解成以下三個基本任務(wù)：模運動控制任務(wù)可以分解成以下三個基本任務(wù)：n （1 1） 控制車模直立：通

3、過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀控制車模直立：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀態(tài)；態(tài)；n （2 2） 控制車模速度：通過控制兩個電機轉(zhuǎn)速速度實現(xiàn)車模行進控制；控制車模速度：通過控制兩個電機轉(zhuǎn)速速度實現(xiàn)車模行進控制；n （3 3） 控制車模轉(zhuǎn)向：通過控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)動差速實現(xiàn)車模轉(zhuǎn)控制車模轉(zhuǎn)向：通過控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)動差速實現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。向控制?？梢约僭O(shè)車模的電機可以虛擬地被拆解成三個不同功能的驅(qū)動電機，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進行走、左右轉(zhuǎn)向，如下圖所示。車模運動控制分解示意圖直流電機的力矩最終來自于電機驅(qū)動電壓產(chǎn)生的電流。因此只要電機處于線性狀態(tài)，上述拆

4、解可以等效成三種不同控制目標的電壓疊加之后，施加在電機上。在上述三個任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。由于車模同時受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個控制就成為它的干擾。因此在速度、方向控制的時候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。三層控制之間相互配合，底層盡量減少對于上層的干擾車模直立控制的原理n 控制車模直立的直觀經(jīng)驗來自于雜技表演。一般的人通過簡單練習(xí)就控制車模直立的直觀經(jīng)驗來自于雜技表演。一般的人通過簡單練習(xí)就可以讓一個直木棒在手指尖上保持直立。這需要兩個條件：一個是托可以讓一個直木棒在手指尖上保持直立。這需要兩個條件：一個是托著木棒的手掌可以移動；另一個是眼睛可以觀察到木

5、棒的傾斜角度和著木棒的手掌可以移動；另一個是眼睛可以觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢（角加速度）。通過手掌移動抵消木棒的傾斜角度和趨勢，傾斜趨勢（角加速度）。通過手掌移動抵消木棒的傾斜角度和趨勢，從而保持木棒的直立。世界上還沒有任何一個天才雜技演員可以蒙著從而保持木棒的直立。世界上還沒有任何一個天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己手指上直立，因為沒有了負反饋。眼睛使得木棒在自己手指上直立，因為沒有了負反饋。車模直立也是通過負反饋實現(xiàn)的。但相對于上面的木棒直立相對簡單。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體直立了。通過車輪運動控

6、制保持車體直立車模速度控制n 車模運行速度是通過控制車輪速度實現(xiàn)的，車輪通過車模兩個后輪電車模運行速度是通過控制車輪速度實現(xiàn)的，車輪通過車模兩個后輪電機經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動，因此通過控制電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對車輪的運機經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動，因此通過控制電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對車輪的運動控制。動控制。n （1） 通過電機加速度控制實現(xiàn)車模直立穩(wěn)定。通過電機加速度控制實現(xiàn)車模直立穩(wěn)定。n （2）通過電機速度控制，實現(xiàn)車模恒速運行和靜止。雖然本屆比賽）通過電機速度控制，實現(xiàn)車模恒速運行和靜止。雖然本屆比賽規(guī)則中沒有要求車模速度恒定，也沒有要求車模在比賽之前和沖過終規(guī)則中沒有要求車模速度恒定，也沒有要求車模在比賽之

7、前和沖過終點之后保持靜止狀態(tài)。但是通過速度控制，可以提高車模穩(wěn)定性。在點之后保持靜止狀態(tài)。但是通過速度控制，可以提高車模穩(wěn)定性。在將來的比賽中，如果規(guī)則增加了靜止要求，或者需要通過路橋等障礙，將來的比賽中，如果規(guī)則增加了靜止要求，或者需要通過路橋等障礙，速度控制將會發(fā)揮作用。速度控制將會發(fā)揮作用。n （3）通過電機差速控制，可以實現(xiàn)車模方向控制。電機運動控制是）通過電機差速控制，可以實現(xiàn)車模方向控制。電機運動控制是通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓實現(xiàn)的。對于電機的電磁模型、動力通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓實現(xiàn)的。對于電機的電磁模型、動力學(xué)模型以及車模的動力學(xué)模型進行分析和簡化，可以將電機運動模型學(xué)

8、模型以及車模的動力學(xué)模型進行分析和簡化，可以將電機運動模型簡化成如下的一階慣性環(huán)節(jié)模型。施加在電機上一個階躍電壓，電機簡化成如下的一階慣性環(huán)節(jié)模型。施加在電機上一個階躍電壓，電機的速度變化曲線為的速度變化曲線為： 11tTmtEkeu t電機的速度變化曲線如圖電機運動明顯分為兩個階段n 電機運動明顯分為兩個階段：第一個階段是加速階段；第二個階段為電機運動明顯分為兩個階段：第一個階段是加速階段；第二個階段為恒速階段。其中，在加速階段，電機帶動車模后輪進行加速運動，加恒速階段。其中，在加速階段，電機帶動車模后輪進行加速運動，加速度近似和施加在電機上的電壓成正比，加速階段的時間長度取決于速度近似和施

9、加在電機上的電壓成正比，加速階段的時間長度取決于時間常數(shù)，該常數(shù)由電機轉(zhuǎn)動慣量、減速齒輪箱、車模的轉(zhuǎn)動慣量決時間常數(shù)，該常數(shù)由電機轉(zhuǎn)動慣量、減速齒輪箱、車模的轉(zhuǎn)動慣量決定；在恒速階段，電機帶動車模后輪進行恒速運行，運行速度與施加定；在恒速階段，電機帶動車模后輪進行恒速運行，運行速度與施加在電機上的電壓成正比。調(diào)整車模直立時間常數(shù)很小，此時電機基本在電機上的電壓成正比。調(diào)整車模直立時間常數(shù)很小，此時電機基本上運行在加速階段。計算所得到的加速度控制量上運行在加速階段。計算所得到的加速度控制量a a再乘以一個比例系再乘以一個比例系數(shù)，即為施加在電機上的控制電壓，這樣便可以控制車模保持直立狀數(shù)，即為施

10、加在電機上的控制電壓，這樣便可以控制車模保持直立狀態(tài)。車模運行速度調(diào)整時間相對很長，此時，電機速度與施加在其上態(tài)。車模運行速度調(diào)整時間相對很長，此時，電機速度與施加在其上的電壓成正比。通過傳統(tǒng)的的電壓成正比。通過傳統(tǒng)的PIDPID反饋控制，便可以精確控制電機的運反饋控制，便可以精確控制電機的運行速度，從而控制車模的運行速度。電機速度控制需要測量電機的轉(zhuǎn)行速度，從而控制車模的運行速度。電機速度控制需要測量電機的轉(zhuǎn)速，電機旋轉(zhuǎn)速度可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼盤方便獲速，電機旋轉(zhuǎn)速度可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼盤方便獲電機速度檢測利用控制單片機的計數(shù)器測量在固定時間間隔內(nèi)速度脈沖信號

11、的個數(shù)可以測量電機的轉(zhuǎn)速。對于電機速度PID控制方法如圖所示車模方向控制（1 1） 道路電磁中心線的偏差檢測道路電磁中心線的偏差檢測n 道路電磁中心線檢測簡單的方法可以通過安裝在車模前方的兩個電磁道路電磁中心線檢測簡單的方法可以通過安裝在車模前方的兩個電磁感應(yīng)線圈實現(xiàn)。線圈一般采用感應(yīng)線圈實現(xiàn)。線圈一般采用10mH10mH的工字型電感的工字型電感。n （2 2） 電機差動控制電機差動控制n 利用電磁線偏差檢測信號分別與車模速度控制信號進行加和減，形成利用電磁線偏差檢測信號分別與車模速度控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運行角速度不一致進而控制車左右輪差動控制電壓，使得車

12、模左右輪運行角速度不一致進而控制車模方向模方向，如如下圖所示。下圖所示。通過差動控制左右電機驅(qū)動電壓控制車模方向車模直立行走控制算法總圖車模運動控制總框圖第三部分：機械設(shè)計n 傳感器安裝傳感器安裝n 車模中的傳感器包括有：速度傳感器，車模姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加車模中的傳感器包括有：速度傳感器，車模姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計）以及電磁檢測感應(yīng)線圈。速度計）以及電磁檢測感應(yīng)線圈。n （1）速度傳感器安裝）速度傳感器安裝n 速度編碼器我們采用了編碼器，安裝方法如下：速度編碼器我們采用了編碼器，安裝方法如下：n 用十字扳手套筒將車的后輪拆卸后，安裝編碼器，固定編碼器的固定用十字扳手套筒將車的后輪拆卸

13、后，安裝編碼器，固定編碼器的固定件是根據(jù)車得尺寸及與編碼器的相對位置手工制作的連接固定件。固件是根據(jù)車得尺寸及與編碼器的相對位置手工制作的連接固定件。固定件的尺寸如圖所示。定件的尺寸如圖所示。編碼器固定件如右圖所示編碼器安裝圖電磁傳感器安裝n 為了減少小車轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量，應(yīng)盡量減小傳感器支架為了減少小車轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量，應(yīng)盡量減小傳感器支架的重量，同時應(yīng)保證傳感器有較好的穩(wěn)定性，保證一定的強度，最后的重量，同時應(yīng)保證傳感器有較好的穩(wěn)定性，保證一定的強度，最后我們選擇用碳素桿作為支架材料。我們選擇用碳素桿作為支架材料。n 為了能夠更好的檢測前面的道路，將電感盡可能的安裝在車模運為了

14、能夠更好的檢測前面的道路，將電感盡可能的安裝在車模運行前方較遠的地方。我們參照了官方方案的方法，進行了電感架的搭行前方較遠的地方。我們參照了官方方案的方法，進行了電感架的搭建，如圖建，如圖4.44.4所示。在寬度符合競賽規(guī)則的條件下，盡量使電感保持所示。在寬度符合競賽規(guī)則的條件下，盡量使電感保持水平，減少電感位置變動在行車過程中對車產(chǎn)生影響。水平，減少電感位置變動在行車過程中對車產(chǎn)生影響。傳感器安裝其他機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整n 另外，在模型車的機械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進的地方，比如說車另外，在模型車的機械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進的地方，比如說車輪、傳感器的保護等方面。輪、傳感器的保護等方面。n 由于

15、直立小車的直立行駛及轉(zhuǎn)向都是通過后輪實現(xiàn)的，因此當小由于直立小車的直立行駛及轉(zhuǎn)向都是通過后輪實現(xiàn)的，因此當小車在轉(zhuǎn)向時，模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對位移，可能導(dǎo)車在轉(zhuǎn)向時，模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對位移，可能導(dǎo)致在加速時會損失部分驅(qū)動力，而且使小車的狀態(tài)不穩(wěn)。因此，我們致在加速時會損失部分驅(qū)動力，而且使小車的狀態(tài)不穩(wěn)。因此，我們在實際調(diào)試過程中對車輪進行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎在實際調(diào)試過程中對車輪進行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯位而引起的驅(qū)動力損失的情況。與輪輞錯位而引起的驅(qū)動力損失的情況。n 同時，車模直立運行，我們在制作電路板的時候盡可能減少電路

16、同時，車模直立運行，我們在制作電路板的時候盡可能減少電路板的尺寸，一方面便于固定，另一方面可以減少車模的慣量。固定電板的尺寸，一方面便于固定，另一方面可以減少車模的慣量。固定電路板時我們盡可能貼近車模的底盤，使其能夠穩(wěn)固。路板時我們盡可能貼近車模的底盤，使其能夠穩(wěn)固。n 為了保護模型車傳感器支架，在車模機械設(shè)計的時候，我們增添為了保護模型車傳感器支架，在車模機械設(shè)計的時候，我們增添了防撞桿，使一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可保護車模機械的安了防撞桿，使一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可保護車模機械的安全性，保證小車狀態(tài)的穩(wěn)定性。全性，保證小車狀態(tài)的穩(wěn)定性。第四部分：軟件編寫與調(diào)試n 軟件功能與框架軟件功能與框架n 軟件的主要功能包括有：軟件的主要功能包括有：n （1）車模運行狀態(tài)檢測；）車模運行狀態(tài)檢測；n （2）電機）電機PWM輸出；輸出；n （3）車模運行控制：直立控制、速度控制、方向控制；）車模運行控制：直立控制、速度控制、